鄭國旺 邢玉林 王毅

摘 ?要：本文從國際海事組織對海上水面自主船舶（MASS）層級劃分出發(fā)，通過對MASS航行風(fēng)險(xiǎn)和其航行所需的航海保障關(guān)鍵技術(shù)分析，對MASS航行的各個(gè)階段所需的航海保障服務(wù)進(jìn)行了簡要的分析。

關(guān)鍵詞：海上水面自主船舶;航行風(fēng)險(xiǎn);航海保障

0 引 言

海上水面自主船舶（Maritime Autonomous Surface Ships，簡稱MASS）是指在不同程度上可以獨(dú)立于人員干預(yù)運(yùn)行的船舶。2018年5月，在倫敦舉行的國際海事組織海事安全委員會(huì)（MSC）第99次會(huì)議上，國際海事組織（IMO）提出了自主程度的初步定義，并將自主船的劃分為以下4個(gè)層級[1]：

（1）船舶具有自動(dòng)化程序操作和決策支持的功能;

（2）船舶具備遠(yuǎn)程遙控的功能，同時(shí)有船員在船;

（3）船舶具備遠(yuǎn)程遙控功能，無船員在船;

（4）船舶完全自主。

為方便開展論述，本文將上述4個(gè)層級按照順序依次分為自主I級、自主II級、自主III級、自主IV級。

當(dāng)前，海上水面自主船舶發(fā)展處于起步階段，國內(nèi)外在智能船舶標(biāo)準(zhǔn)指南文件的起草、軟件系統(tǒng)開發(fā)以及船舶建造等方面都取得了突破性的進(jìn)展。2019年12月15日，我國自主研發(fā)的小型自主航行貨船“筋斗云0號(hào)”在珠海東澳島首航，對于我國船舶自主航行技術(shù)的研發(fā)、測試、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定具有開創(chuàng)性意義。同樣，海上水面自主船舶的出現(xiàn)將為航海保障工作提出更多要求，國際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）的e—航海、信息服務(wù)及通信（ENAV）委員會(huì)在2018—2022年工作計(jì)劃中對海上水面自主船舶提出了“視需要，從海上航標(biāo)的角度就海上自主船舶與IMO進(jìn)行聯(lián)絡(luò)”和“對適用于MASS的新興技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)告”的工作任務(wù)，與MASS相關(guān)的航海保障服務(wù)研究也亟待豐富。

1 MASS航行風(fēng)險(xiǎn)分析

MASS的安全性一直以來都是為人矚目的重要議題，國際上對其航行安全的風(fēng)險(xiǎn)評估研究也不在少數(shù)，作為為船舶提供航海保障服務(wù)的航海保障機(jī)構(gòu)更應(yīng)在充分認(rèn)知MASS航行風(fēng)險(xiǎn)的前提下對其航海保障需求進(jìn)行分析。MASS是船舶行業(yè)未來發(fā)展的趨勢，但歸根結(jié)底仍是船舶，具備一般船舶復(fù)雜多樣的航行風(fēng)險(xiǎn)。

船舶航行過程中受到內(nèi)部和外部各種各樣風(fēng)險(xiǎn)因素的影響，這些因素既包含航道維度、交通流、自然環(huán)境等外部風(fēng)險(xiǎn)因素，也包含人為操作的內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)因素，涵蓋了人、船、環(huán)境、管理等各個(gè)方面[2]。本文聚焦MASS層級分類及設(shè)備智能化程度高的特性，主要從硬件、軟件、管理等內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)和外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的角度進(jìn)行分析。MASS航行風(fēng)險(xiǎn)框架如圖1所示。

1.1 硬件風(fēng)險(xiǎn)

硬件風(fēng)險(xiǎn)包括船舶船齡、速度、噸位、密封性、穩(wěn)性等船舶性能和通導(dǎo)、供電、動(dòng)力、壓載、排水系統(tǒng)等硬件設(shè)施。對于自主I—II級MASS船舶，設(shè)備故障可由船員現(xiàn)場及時(shí)解決，而對于自主III—IV級的MASS船舶來說一旦出現(xiàn)硬件故障，修理工作無法及時(shí)開展，會(huì)對其航行安全產(chǎn)生致命影響。

1.2 軟件風(fēng)險(xiǎn)

軟件系統(tǒng)是確保航行數(shù)據(jù)有效交互的重要系統(tǒng)，對于自主III、IV級的MASS來說，軟件風(fēng)險(xiǎn)主要涉及船舶的系統(tǒng)程序，包括導(dǎo)航定位、危險(xiǎn)預(yù)警、海圖改正、航線設(shè)計(jì)、工況監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)控和船—船、船—岸信息交互等，準(zhǔn)確無誤的信息數(shù)據(jù)有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)，為船舶安全航行提供決策支撐。數(shù)據(jù)泄露或軟件程序遭受黑客攻擊，將會(huì)導(dǎo)致MASS失控甚至失去聯(lián)系。

1.3 管理風(fēng)險(xiǎn)

船舶的定期維護(hù)管理、海事機(jī)構(gòu)監(jiān)管、航行指揮及人為因素是影響船舶安全航行的主要管理控制因素。對所有在水上航行的MASS來說，船舶硬件的損傷、腐蝕等損耗不可避免，海事機(jī)構(gòu)依法監(jiān)管強(qiáng)制執(zhí)行，監(jiān)管缺位、定期維修不到位都會(huì)使船舶航行安全風(fēng)險(xiǎn)加劇。對于自主I—III級MASS來說，由人主導(dǎo)的航行指揮失誤極易導(dǎo)致船舶操作上的失誤，從而造成嚴(yán)重后果。自主III、IV級MASS相比于一般船舶也更易被海盜、恐怖主義攻擊劫持。

1.4 外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要由航道維度、走向等水文因素和海上礙航物、通航密度、氣候等不確定性大且不可控的因素構(gòu)成。所有自主層級的MASS在航行過程中若對地理資料、水文、交通流、氣象等信息掌握不清，缺少及時(shí)更新，則遭遇不利航行條件如發(fā)生船舶碰撞、觸損、擱淺、沉沒的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)相應(yīng)增大。同時(shí)，自主III、IV級MASS對其所航水域助航服務(wù)，即航行水域航標(biāo)配布的完備狀況要求相對更高。

2 適應(yīng)MASS的導(dǎo)助航服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)

目前的航海保障服務(wù)體系可以極大程度滿足自主I—II級MASS的導(dǎo)助航服務(wù)需求，但對于自主III或IV級高度智能化、無人化的船舶來說，現(xiàn)有的導(dǎo)助航服務(wù)體系仍需在一些關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，應(yīng)用新技術(shù)充分辨識(shí)MASS航行的顯性和隱形航海保障需求，構(gòu)建起適配各型海上航行船舶的綜合智能航海保障體系才能有效保障其航行安全。從前文所述MASS航行內(nèi)部及外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素分析，結(jié)合航海保障發(fā)展趨勢，本文認(rèn)為可在通信保障、數(shù)據(jù)處理、船—標(biāo)、船—船信息交互、應(yīng)急處置等方面進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。

2.1 通信保障

高度智能化、無人化的MASS對信息通信依賴程度極高，對自主III—IV級MASS來說，任何時(shí)刻、任意地點(diǎn)通信中斷或延遲，都會(huì)對其安全航行決策的有效執(zhí)行帶來致命影響，在交通繁忙水域甚至?xí)绊懙狡渌暗暮叫邪踩?，釀成海事事故。因此，通信持續(xù)穩(wěn)定高效是保證MASS實(shí)時(shí)更新海上安全信息，開展一切航行與決策的基本前提。在鞏固和改造傳統(tǒng)通信技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上加強(qiáng)VDES、NAVDAT、衛(wèi)星通信、5G等技術(shù)研發(fā)，逐步構(gòu)建海上移動(dòng)通信、公共網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信等多種形式的“多元通信”的信息網(wǎng)絡(luò)，在IMO框架要求下統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議和接口，形成方式多樣的無障礙通信保障，能夠有效保障MASS基本通信需求。

2.2 數(shù)據(jù)處理

全面具體的數(shù)據(jù)分析是為MASS提供安全、準(zhǔn)確的航行決策，確保安全航行的主要因素。船舶航行數(shù)據(jù)涵蓋了船舶自身基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和航速、航向、位置、載重、設(shè)備工況、水文、氣象等航行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，信息量龐大，能夠全方位體現(xiàn)船舶航行動(dòng)態(tài)。按照IMO為實(shí)現(xiàn)e-航海服務(wù)而提出的海事服務(wù)集（MSP）理念，整合航海保障數(shù)據(jù)資源，按照區(qū)域協(xié)調(diào)的原則建立航海保障數(shù)據(jù)中心，充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化信息技術(shù)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合海事測繪S—100數(shù)據(jù)模型和信息標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，可為MASS提供適配其航行計(jì)劃的航行信息備案、航路生成、航線推薦等功能，同時(shí)航行數(shù)據(jù)共享也有助于促進(jìn)水域通航環(huán)境安全[3]。

2.3 信息交互

航標(biāo)是MASS能否順利進(jìn)出港的重要導(dǎo)助航設(shè)施。不同自主層級的MASS在進(jìn)出港過程中對航標(biāo)的需求不同，如自主I—II級MASS有船員在船的情況下，可由船員對航標(biāo)進(jìn)行識(shí)別并在船舶進(jìn)出港過程中實(shí)施有效的人工操縱及干預(yù)。對于自主III級岸基遙控或自主IV級完全無人的MASS來說，航標(biāo)尤其是海上浮動(dòng)標(biāo)志應(yīng)能在白晝、黑夜以及各種不同氣象條件如大霧、大雨等能見度不足的情況下均能被MASS有效識(shí)別，這就要求船—標(biāo)之間應(yīng)有一定程度的信息交互以確保船舶進(jìn)出港交通安全，也就是說對于自主III或IV級的MASS，航標(biāo)應(yīng)有一定的主動(dòng)發(fā)訊和信息反饋功能。

目前，AIS航標(biāo)可實(shí)現(xiàn)與高自主層級的船舶信息簡單交互和識(shí)別，但AIS航標(biāo)存在時(shí)隙復(fù)用、信息容量、能源功耗大等問題，加快AIS航標(biāo)的技術(shù)研究和創(chuàng)新，增強(qiáng)AIS航標(biāo)的推廣布設(shè)力度，在港口及沿岸重要區(qū)域形成AIS航標(biāo)信號(hào)全覆蓋，能夠有效適配各類MASS的航海保障服務(wù)需求。

2.4 應(yīng)急保障

不同于其他船舶，自主III級、IV級MASS船舶如發(fā)生船艙漏水、擱淺、碰撞、遭遇劫持、機(jī)械設(shè)備故障導(dǎo)致船舶失電或動(dòng)力喪失等緊急情況時(shí)，由于其有限的自我修復(fù)能力和應(yīng)急反應(yīng)能力，會(huì)對自身和海域內(nèi)其他船舶航行作業(yè)安全產(chǎn)生災(zāi)難性影響。海事和航海保障機(jī)構(gòu)應(yīng)能在多維、多層次的感知、收集和積累海上安全數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過建立船舶事故檔案、大數(shù)據(jù)分析建立船舶風(fēng)險(xiǎn)模型，定期向航行MASS播發(fā)惡劣氣象、航海警告、航線預(yù)警、多發(fā)故障類型等預(yù)警信息，主動(dòng)為MASS提供準(zhǔn)確、高效、個(gè)性化的預(yù)警服務(wù)。同時(shí)MASS的出現(xiàn)也對海事監(jiān)管和航海保障應(yīng)急反應(yīng)工作提出了更高的要求，當(dāng)MASS海損事故不可避免，海事監(jiān)管和航海保障機(jī)構(gòu)應(yīng)在接到遇險(xiǎn)事故數(shù)據(jù)的第一時(shí)間啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)，向事故海域其他航海用戶播發(fā)事故信息，分析評估并組織海上應(yīng)急反應(yīng)力量開展工作（包括但不限于應(yīng)急掃測、應(yīng)急設(shè)標(biāo)和關(guān)鍵設(shè)備搜尋打撈等應(yīng)急措施）。

3 MASS航海保障需求分析

以MASS航行一個(gè)完整航次為例，可將MASS單次航行為由準(zhǔn)備階段—離泊—受限水域航行—開闊水域航行—受限水域航行—靠泊等若干階段組成的閉環(huán)系統(tǒng)。本文將整個(gè)航次簡化為航行準(zhǔn)備、受限水域航行、開闊水域航行等3個(gè)階段進(jìn)行分析。

航行準(zhǔn)備階段是航行的第一階段，該階段是MASS可上傳航行計(jì)劃由海事管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行審核備案，航行計(jì)劃經(jīng)海事監(jiān)管部門審核通過后即可由航海保障機(jī)構(gòu)為其提供導(dǎo)助航相關(guān)服務(wù)，準(zhǔn)備階段的主要航海保障需求是氣象預(yù)警、智能航路設(shè)計(jì)以及航線推薦;

受限水域航行主要為港口、航道及交通繁忙水域航行，此一階段航行條件較為復(fù)雜，主要的航海保障需求主要為航標(biāo)導(dǎo)航需求，有效的船—標(biāo)、船—岸、船—船通信必須得到保障;

開闊水域航行階段主要的航海保障需求為船—船、船—岸通信保障、導(dǎo)航服務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互更新及處理、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)控、船舶工況監(jiān)測以及航行應(yīng)急保障服務(wù)。MASS船舶航行的航海保障需求流程如圖2所示。

無論哪個(gè)階段，有效的通訊船—船、船—岸、船—標(biāo)通訊和航海保障應(yīng)急反應(yīng)力量必須得到全天候保證。

4 結(jié) 語

海上水面自主船舶的出現(xiàn)將極大改變航運(yùn)界的船舶運(yùn)營格局，也必然會(huì)給航海保障事業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)。航海保障服務(wù)機(jī)構(gòu)應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢，在充分評估MASS面臨的航行、作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上理解其顯性和隱形的航海保障需求，堅(jiān)持需求導(dǎo)向，以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有的導(dǎo)助航服務(wù)體系智能化升級，優(yōu)化適用于各類MASS的航海保障服務(wù)流程，搭建起海上航行船舶的綜合智能航海保障體系，更好地為船舶提供全時(shí)、全域、全天候的航海保障服務(wù)，助力海上通航環(huán)境安全穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國船級社.自主貨物運(yùn)輸船舶指南（2018）.北京，2018：1.

[2] 萬子謙. 船舶航行風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、過濾與評估研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2017.

[3] 聶乾震.基于e-航海理念的現(xiàn)代化綜合航海保障系統(tǒng)研究[J].中國海事，2016（12）：22-25.